JDK8 HashMap 源码解析

HashMap中数据结构

在jdk1.7中,HashMap采用数组+链表(拉链法)。因为数组是一组连续的内存空间,易查询,不易增删,而链表是不连续的内存空间,通过节点相互连接,易删除,不易查询。HashMap结合这两者的优秀之处来提高效率。

而在jdk1.8时,为了解决当hash碰撞过于频繁,而链表的查询效率(时间复杂度为O(n))过低时,当链表的长度达到一定值(默认是8)时,将链表转换成红黑树(时间复杂度为O(lg n)),极大的提高了查询效率。

如图所示:

HashMap初始化

以下代码未经特别声明,都是jdk1.8

/**
* The default initial capacity - MUST be a power of two.
*/
static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16

/**
* Constructs an empty <tt>HashMap</tt> with the default initial capacity
* (16) and the default load factor (0.75).
*/
public HashMap() {
this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}

HashMap的默认大小是16。查看HashMap的构造方法,发现没有执行new操作,猜测可能跟ArrayList一样是在第一次add的时候开辟的内存,于是查看put方法。

put方法

关于Node节点

HashMap将hash,key,value,next已经封装到一个静态内部类Node上。它实现了Map.Entry<K,V>接口。

static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
final int hash;
final K key;
V value;
Node<K,V> next;

Node(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {
this.hash = hash;
this.key = key;
this.value = value;
this.next = next;
}

public final K getKey() { return key; }
public final V getValue() { return value; }
public final String toString() { return key + "=" + value; }

public final int hashCode() {
return Objects.hashCode(key) ^ Objects.hashCode(value);
}

public final V setValue(V newValue) {
V oldValue = value;
value = newValue;
return oldValue;
}

public final boolean equals(Object o) {
if (o == this)
return true;
if (o instanceof Map.Entry) {
Map.Entry<?,?> e = (Map.Entry<?,?>)o;
if (Objects.equals(key, e.getKey()) &&
Objects.equals(value, e.getValue()))
return true;
}
return false;
}
}

然后在定义一个Node数组table

transient Node<K,V>[] table;

hash实现

当我们put的时候,首先计算 keyhash值,这里调用了 hash方法,hash方法实际是让key.hashCode()key.hashCode()>>>16进行异或操作,高16bit补0,一个数和0异或不变,所以 hash 函数大概的作用就是:高16bit不变,低16bit和高16bit做了一个异或,目的是减少碰撞。按照函数注释,因为bucket数组大小是2的幂,计算下标index = (table.length - 1) & hash,如果不做 hash 处理,相当于散列生效的只有几个低 bit 位,为了减少散列的碰撞,设计者综合考虑了速度、作用、质量之后,使用高16bit和低16bit异或来简单处理减少碰撞,而且JDK8中用了复杂度 O(logn)的树结构来提升碰撞下的性能。

public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}

实现方法

  • 如果当前数组table为null,进行resize()初始化
  • 否则计算数组索引i = (n - 1) & hash
  • 如果这个table[i]值为空,那么就将这个Node键值对放在这里
  • 判断key是否与table[i]重复,重复则替换
  • 不重复在判断table[i]是否连接了一个链表,链表为空则new 一个Node键值对,链表不为空就循环直到最后一个节点的next为null或者出现出现重复key值
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
boolean evict) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
// 默认容量初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//如果table[i]为空,那就把这个键值对放在table[i], i = (n - 1) & hash 相等于 hash % n,
//但是hash后按位与 n-1,比%模运算取余要快
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
//当另一个key的hash值已经存在时
else {
Node<K,V> e; K k;
// table[i].key == key
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//JDK8在哈希碰撞的链表长度达到TREEIFY_THRESHOLD(默认8)后,
//会把该链表转变成树结构,提高了性能。
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//遍历table[i]所对应的链表,直到最后一个节点的next为null或者有重复的key值
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
treeifyBin(tab, hash);
break;
}
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
break;
p = e;
}
}
//key重复,替换value
if (e != null) { // existing mapping for key
V oldValue = e.value;
if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
e.value = value;
afterNodeAccess(e);
return oldValue;
}
}
++modCount;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}

// Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }

get方法

首先通过hash函数找到索引,然后判断map为null,再判断table[i]是否等于key,然后在找与table相连的链表的key是否相等。

public V get(Object key) {
Node<K,V> e;
return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}


final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}

jdk1.7中的线程安全问题(resize死循环)

当HashMap的size超过Capacity*loadFactor时,需要对HashMap进行扩容。具体方法是,创建一个新的,长度为原来Capacity两倍的数组,保证新的Capacity仍为2的N次方,从而保证上述寻址方式仍适用。同时需要通过如下transfer方法将原来的所有数据全部重新插入(rehash)到新的数组中。

下列代码基于 jdk1.7.0_79

void transfer(Entry[] newTable, boolean rehash) {
int newCapacity = newTable.length;
for (Entry<K,V> e : table) {
while(null != e) {
Entry<K,V> next = e.next;
if (rehash) {
e.hash = null == e.key ? 0 : hash(e.key);
}
int i = indexFor(e.hash, newCapacity);
e.next = newTable[i];
newTable[i] = e;
e = next;
}
}
}

该方法并不保证线程安全,而且在多线程并发调用时,可能出现死循环。其执行过程如下。从步骤2可见,转移时链表顺序反转。

  1. 遍历原数组中的元素
  2. 对链表上的每一个节点遍历:用next取得要转移那个元素的下一个,将e转移到新数组的头部,使用头插法插入节点
  3. 循环2,直到链表节点全部转移
  4. 循环1,直到所有元素全部转移

单线程rehash

单线程情况下,rehash无问题。下图演示了单线程条件下的rehash过程

多线程并发下的rehash

这里假设有两个线程同时执行了put操作并引发了rehash,执行了transfer方法,并假设线程一进入transfer方法并执行完next = e.next后,因为线程调度所分配时间片用完而“暂停”,此时线程二完成了transfer方法的执行。此时状态如下。

接着线程1被唤醒,继续执行第一轮循环的剩余部分

e.next = newTable[1] = null
newTable[1] = e = key(5)
e = next = key(9)

结果如下图所示

接着执行下一轮循环,结果状态图如下所示


此时循环链表形成,并且key(11)无法加入到线程1的新数组。在下一次访问该链表时会出现死循环。

jdk1.8中的扩容

在jdk1.8中采用resize方法来对HashMap进行扩容。

resize方法

final Node<K,V>[] resize() {
Node<K,V>[] oldTab = table;
int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
int oldThr = threshold;
int newCap, newThr = 0;
if (oldCap > 0) {
// 超过最大值就不再扩充了,就只好随你碰撞去吧
if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
threshold = Integer.MAX_VALUE;
return oldTab;
}
// 没超过最大值,就扩充为原来的2倍
else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
newThr = oldThr << 1; // double threshold
}
else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
newCap = oldThr;
else { // zero initial threshold signifies using defaults
newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
}
// 计算新的resize上限
if (newThr == 0) {
float ft = (float)newCap * loadFactor;
newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
(int)ft : Integer.MAX_VALUE);
}
threshold = newThr;
@SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
table = newTab;
if (oldTab != null) {
// 把每个bucket都移动到新的buckets中
for (int j = 0; j < oldCap; ++j) {
Node<K,V> e;
if ((e = oldTab[j]) != null) {
// 清除原来table[i]中的值
oldTab[j] = null;
if (e.next == null)
newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
else if (e instanceof TreeNode)
((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
else { // 带有链表时优化重hash
Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
Node<K,V> next;
do {
next = e.next;
// 原索引,(e.hash & oldCap) == 0 说明 在put操作通过 hash & newThr
//计算出的索引值等于现在的索引值。
if ((e.hash & oldCap) == 0) {
if (loTail == null)
loHead = e;
else
loTail.next = e;
loTail = e;
}
// 原索引+oldCap,不是原索引,就移动原来的长度
else {
if (hiTail == null)
hiHead = e;
else
hiTail.next = e;
hiTail = e;
}
} while ((e = next) != null);
// 原索引放到bucket里
if (loTail != null) {
loTail.next = null;
newTab[j] = loHead;
}
// 原索引+oldCap放到bucket里
if (hiTail != null) {
hiTail.next = null;
newTab[j + oldCap] = hiHead;
}
}
}
}
}
return newTab;
}

声明两对指针,维护两个链表,依次在末端添加新的元素,在多线程操作的情况下,无非是第二个线程重复第一个线程一模一样的操作。

因此不会产生jdk1.7扩容时的resize死循环问题

jdk1.8中hashmap的确不会因为多线程put导致死循环,但是依然有其他的弊端。因此多线程情况下还是建议使用concurrenthashmap。

面试问题

  1. 如果new HashMap(19),bucket数组多大?
    HashMap的bucket 数组大小一定是2的幂,如果new的时候指定了容量且不是2的幂,实际容量会是最接近(大于)指定容量的2的幂,比如 new HashMap<>(19),比19大且最接近的2的幂是32,实际容量就是32。
    基础知识
    |符号   | 描述 | 运算规则|
 | ---|---|---|
 |&      | 与   | 两个位都为1时,结果才为1|
 || | 或   | 两个位都为0时,结果才为0|
 |∧  | 异或 | 两个位相同为0,相异为1|
 |~      | 取反 | 0变1,1变0|
    简便方法
    如对 a 按位取反,则得到的结果为 -(a+1)
    此条运算方式对正数负数和零都适用。
    源码

    /**
    * Returns a power of two size for the given target capacity.
    */
    static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n + 1;
    }

    解析
    先来分析有关n位操作部分:先来假设n的二进制为01xxx…xxx。接着
    对n右移1位:001xx…xxx,再位或:011xx…xxx
    对n右移2为:00011…xxx,再位或:01111…xxx
    此时前面已经有四个1了,再右移4位且位或可得8个1
    同理,有8个1,右移8位肯定会让后八位也为1。
    综上可得,该算法让最高位的1后面的位全变为1。
    最后再让结果n+1,即得到了2的整数次幂的值了。
    现在回来看看第一条语句:
    int n = cap - 1;
      让cap-1再赋值给n的目的是另找到的目标值大于或等于原值。例如二进制1000,十进制数值为8。如果不对它减1而直接操作,将得到答案10000,即16。显然不是结果。减1后二进制为111,再进行操作则会得到原来的数值1000,即8。
      这种方法的效率非常高,可见Java8对容器优化了很多,很强哈。其他之后再进行分析吧。

  2. HashMap什么时候开辟bucket数组占用内存?
    HashMap在new 后并不会立即分配bucket数组,而是第一次put时初始化,类似ArrayList在第一次add时分配空间。
  3. HashMap何时扩容?
    HashMap 在 put 的元素数量大于 Capacity LoadFactor(默认16 0.75) 之后会进行扩容。
  4. 当两个对象的hashcode相同会发生什么?
    碰撞
  5. 如果两个键的hashcode相同,你如何获取值对象?
    遍历与hashCode值相等时相连的链表,直到相等或者null
  6. 你了解重新调整HashMap大小存在什么问题吗?

参考文档

  1. HashMap实现原理分析
  2. 由阿里巴巴Java开发规约HashMap条目引发的故事
  3. Java8 HashMap之tableSizeFor
  4. Java 8系列之重新认识HashMap
  5. Java进阶(六)从ConcurrentHashMap的演进看Java多线程核心技术
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